《数控装置的安装与调试》电子教案Word格式.docx

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二、数控系统的基本概念

1.数控：

数字控制的简称。

NC：

numericalcontrol

2.数控系统：

用数字控制技术实现的自动控制系统。

3.数控机床：

数控系统与机床本体的结合体。

三、数控系统的组成

1.数控系统一般由输入/输出装置、数控装置、驱动装置、机床电器逻辑控制装置四部组成，机床本体为被控对象。

2.计算机数控系统的组成

1）采用计算机数控装置的数控系统称为CNC。

2）现代数控系统的开关量控制采用PLC。

3）Fanuc0i-C数控系统的主要部件:

数控装置（显示器、数控键盘）、操作面板、伺服放大器、伺服电机、I/O单元等。

3.Fanuc0i-C数控系统

经FANUC串行伺服总线FSSB，用一条光缆与多个进给伺服放大器（αi系列）相连。

进给伺服电动机可使用αiS系列，最多接4个进给轴电机。

伺服电动机上装有脉冲编码器，标配为1,000,000脉冲/转。

编码器既用做速度反馈，又用作位置反馈。

系统支持半闭环控制和使用直线尺的全闭环控制。

检测器的接口有并行口（A/B相脉冲）和串行口两种。

位置检测器可用增量式或绝对式。

4.SINUMERIK802D数控系统

主要有：

PCU、MCP、PP72/48、Simodrive611U驱动等部件，采用Profibus总线连接。

四、数控系统的主要工作过程

程序输入→加工信息预处理（译码、刀补计算、坐标变换等）→轨迹插补、位置控制、开关量控制以及机床的状态监控。

无锡职业技术学院

教师姓名

张爱红

授课形式

授课日期

2013年2月28日周四

单元二数控系统的分类与发展

1．使学生了解数控系统三种不同分类方法。

2．使学生熟悉轮廓控制数控系统的特点与分类（按联动坐标轴数）。

3．使学生理解开环、闭环及半闭环伺服系统的区别。

4．使学生了解数控系统的发展趋势。

1．轮廓控制数控系统的特点与分类。

*2.开环、闭环及半闭环伺服系统的区别。

3．数控系统的发展趋势。

1.根据数控系统不同的分类方法，讲述数控系统的特点及应用。

2.通过讲授轮廓控制数控系统的应用引入到坐标轴联动控制，并通过四轴联动数控铣床的数控改造进行案例式教学。

3.根据开环、闭环及半闭环伺服系统的异同，进行对比教学。

4.借助于多媒体课件，数控系统综合实验台，提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。

1．按被控机床的运动轨迹分类约30分钟；

2．按伺服系统分类约40分钟；

3．按数控系统功能水平分类约20分钟。

多媒体课件、数控机床

作业一：

简述开环、半闭环、闭环数控系统的区别。

一、数控系统的分类

1按被控机床的运动轨迹分类

1）点位控制数控系统

2）直线控制数控系统

3）轮廓控制数控系统

2按伺服系统分类

1）开环控制数控系统

2）半闭环控制数控系统

3）全闭环控制数控系统

3按数控系统功能水平分类

1）经济型数控系统

2）普及型数控系统

3）高档型数控系统

二、数控系统的发展历程

1硬件数控系统（NC）

1）1952年第一代，电子管计算机组成的数控系统，第一台三坐标数控铣床

2）1959年第二代，晶体管计算机组成的数控系统，第一台加工中心

3）1965年第三代，小规模集成电路计算机组成的数控系统，FMS，几台数控机床同时加工。

2计算机数控系统（CNC）

1）1970年第四代，小型计算机数控系统

2）1974年第五代，微处理器组成的数控系统，出现了生产自动化系统：

FMC、FMS、CIMS

3）1990年第六代，基于PC的开放式数控系统

三、我国数控技术发展现状

1第一阶段：

1958年～1979年

2第二阶段：

1979年至今

四、数控系统的发展趋势

1数控装置发展趋势

1）高速、高精度

2）基于PC的开放式数控系统

3）通信接口的多样化

4）操作性能好、可靠性高

2伺服系统发展趋势

1）前馈控制技术

2）机械静止摩擦的非线性控制技术

3）位置环、速度环的软件控制

2013年3月4日周一

单元三数控加工信息预处理

1．使学生了解数控加工程序代码的分类及译码过程。

2．使学生理解刀具长度补偿的原理。

3．使学生理解刀具半径补偿的执行过程、C功能刀具补偿方法。

4．使学生了解进给速度处理的过程。

1．数控加工信息的译码。

2.刀具长度补偿计算。

3.刀具半径补偿执行过程。

*4.C功能刀具半径补偿。

5．进给速度处理。

1.根据数控系统的一般工作过程引入到数控加工信息的预处理。

2.根据数控加工程序代码的分类，讲授不同代码的译码，并举例说明。

3.通过对数控系统有无刀具补偿功能的对比，强化学生对所学内容的理解。

4.借助于多媒体课件，数控机床，提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。

1．数控加工信息的译码约15分钟；

2．刀具补偿功能约50分钟；

3．进给速度处理约20分钟。

用5分钟作归纳与总结。

多媒体课件、数控机床、数控系统综合实验台

上网查阅数控加工信息预处理的相关知识。

一、数控加工信息的译码

以程序段为单位处理用户加工程序，将其中的轮廓信息、加工速度和辅助功能信息等翻译成便于计算机处理的信息格式，将其区分成几何的、工艺的数据和开关功能，存放在指定的存储器中。

二、刀具补偿计算

1.刀具长度补偿

2.刀具半径补偿

刀具半径补偿的执行过程分为三步：

刀补建立、刀补进行、刀补撤销。

3.C功能刀具半径补偿：

1）补偿方法2）程序间的转接3）补偿实例

三、进给速度处理

1.进给速度计算

1）脉冲增量插补方式速度处理

因为：

F=60δf所以：

f=F/（60δ）

F：

编程时的进给速度,单位：

mm/min；

δ：

脉冲当量,单位：

mm；

f：

脉冲源的频率，单位：

Hz。

2）数据采样插补方式速度处理

ΔL=K•F•Ts/（60×

1000）

ΔL：

一个插补周期对应的进给位移，单位：

K：

速度倍率；

编程时对应的进给速度,单位：

Ts：

插补周期ms。

2.加/减速控制

1）前加减速和后加减速

2）加减速特性曲线

四、螺距误差补偿

将数控机床某轴的指令位置与高精度位置测量系统所测得的实际位置相比较。

五、反向间隙误差补偿

在进给传动链中，齿轮传动、滚珠丝杠螺母副等均存在反转间隙。

2013年3月7日周四

单元四轮廓插补原理

1．使学生了解数控系统插补技术的功能与分类。

2．使学生了解不同插补技术的应用。

3．使学生掌握直线与圆弧逐点比较插补算法。

1．插补技术的含义。

2.插补技术的分类与应用。

*3.第一象限逐点比较插补算法的实现过程。

1．根据数控系统的一般工作过程及数控系统的核心技术引入到插补技术。

2．通过讲授插补技术的概念、分类及应用,说明两类插补技术的不同。

3.重点讲解逐点比较插补算法,并给出具体的实例,进行案例式教学。

4．借助于多媒体课件，插补算法软件，提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。

1．插补技术的含义约10分钟；

2．插补技术的分类与应用约10分钟；

3．第一象限直线逐点比较插补算法的实现过程（含举例）约35分钟。

4.第一象限圆弧逐点比较插补算法的实现过程（含举例）约35分钟。

多媒体课件、插补算法软件

作业二：

逆时针加工第Ⅰ象限圆弧OA，起点坐标为O（6，0），终点坐标为A（0，6），试进行逐点比较插补计算并画出运动轨迹图。

随堂练习，按效果计平时成绩。

一、插补技术

机床数控系统的核心技术之一是插补技术，在已知运动轨迹的起点与终点坐标、

轨迹的曲线方程，由数控系统实时地计算出各个中间点坐标的过程，称为插补。

二、插补方法分类

1.脉冲增量插补法

在计算过程中不断向各个坐标轴发出相互协调的进给脉冲，驱动坐标轴电机运动。

常用的有：

逐点比较法与数字积分法，用于以步进电动机为驱动装置的开环数控系统。

第I象限直线插补轨迹第I象限逆圆插补轨迹

2.数据采样插补法

采用小段直线逼近给定轨迹，插补输出的是下一个插补周期内各轴要运动的距离，故可达到很高的速度，其中计算机通常包含在伺服控制环内。

用于以交直流伺服电机为驱动装置的闭环/半闭环数控系统。

三、逐点比较插补法

1.插补计算步骤

第一拍：

偏差判别

第二拍：

坐标进给

第三拍：

偏差计算

第四拍：

终点判别

2.直线逐点比较插补法

公式推导。

举例：

欲加工第一象限直线，起点坐标为O（0,0）,终点坐标为A（6,4）。

脉冲当量为1，写出其逐点比较法插补计算的过程。

3.圆弧逐点比较插补法

欲加工第一象限逆时针圆弧，起点坐标为A（4,0）,终点坐标为B（0,4）。

讲练结合

2013年3月11日周一

单元五刀具补偿与轮廓插补原理

1．使学生了解刀具补偿的分类与作用；

2．使学生掌握刀具补偿的原理与基本操作过程；

3.使学生了解数控系统中插补运算的重要性；

4．要求学生通过观察插补原理的模拟演示，验证插补计算的过程。

1．刀具补偿与轨迹插补软件的使用。

*2.验证刀具长度补偿与刀具半径补偿。

3.验证直线与圆弧逐点比较插补计算的过程。

1．通过示范，讲解刀具补偿与轨迹插补软件的使用方法。

2.给定刀具补偿的任务，要求学生在规定的时间内完成。

3．要求学生验证第一象限直线与圆弧逐点比较插补算法的实现过程。

4．借助于多媒体课件、录像与插补算法软件，提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。

1．讲解、示范刀具补偿与轨迹插补软件的使用方法约30分钟；

2．给定刀具补偿的任务，要求学生在规定的时间内完成约30分钟；

3．要求学生验证第一象限直线与圆弧逐点比较插补算法的实现过程约30分钟。

复习讲授内容

一、教学目的

1．了解刀具补偿的作用；

2．刀具补偿在数控车床和数控铣床的应用实例；

3．掌握刀具补偿的基本过程与原理；

4．验证刀具补偿的程序。

5．了解数控系统中插补运算的重要性；

6．观察插补原理的模拟演示，验证插补原理；

7．了解现代数控系统采用的插补方法。

二、基本原理

1．刀具长度补偿

2．刀具半径补偿

3．刀具半径补偿的执行过程

4.轮廓插补技术

（1）基准脉冲插补

（2）数据采样插补

三、使用设备、仪器、工具或材料

1．电脑20台

2．数控原理综合实验软件1套

四、操作步骤

1．打开数控原理综合实验软件；

2．验证刀具长度、半径补偿的执行过程；

3．验证逐点比较法直线、圆弧的插补执行过程。

五、注意事项

1．注意区分左刀补和右刀补；

2．注意刀具半径补偿的半径输入不宜过大；

3.每次输入数据后，都要按下回车键，以便系统确认输入。

六、数据与现象记录

1．刀具补偿执行过程、数据或现象等的记录。

2．逐点比较插补法执行过程、数据或现象等的记录。

2013年3月14日周四

项目二进给伺服驱动系统

单元一步进驱动系统

1.使学生了解数控机床对进给伺服系统的要求、进给伺服系统的分类。

2.使学生熟悉步进驱动系统的组成与控制原理。

3.使学生了解脉冲分配控制方法。

4.使学生了解步进电机的主要特性。

5.使学生熟悉步进电机的选用方法。

1.数控机床对进给伺服系统的要求。

2.步进驱动系统的组成与控制原理。

*3.脉冲分配控制方法。

4.数控机床中步进电动机的选用方法。

1．通过讲授计算机数控系统的组成引入到进给伺服驱动系统，并介绍数控机床对进给伺服系统的要求、进给伺服系统的分类。

2．通过讲授进给伺服系统的分类引入到步进驱动系统，并介绍步进驱动系统的组成与控制原理。

3.结合经济型数控机床，介绍步进电机的主要特性、步进电机的选用方法等。

1．数控机床对进给伺服系统的要求、进给伺服系统的分类约15分钟；

2．步进驱动系统的组成与控制原理约25分钟；

3．脉冲分配控制方法约20分钟。

4.步进电机的主要特性、选用方法约30分钟；

查阅步进电机资料。

一、数控机床对进给伺服系统的要求

1．精度高

2．响应快、无超调

3．调速范围宽

二、进给伺服系统的分类

1．步进驱动系统

2．直流伺服驱动系统

3．交流伺服驱动系统

一、步进驱动系统的组成

步进驱动系统没有位置反馈回路与速度反馈回路，一般用于对速度和精度要求不高的中、小型经济型数控机床上。

二、步进驱动系统的控制

1.工作台位移量的控制：

进给脉冲的数量N→定子绕组通电状态变化次数N→步进电动机转子角位移ψ→机床工作台位移量L。

步距角θ的概念、脉冲当量δ的计算式。

2.工作台进给速度控制：

进给脉冲频率f→定子绕组通电／断电状态的变化频率f→步进电动机转速ω→工作台的进给速度V。

3.工作台运动方向控制：

改变步进电动机输入脉冲信号的循环顺序方向，就可改变步进电动机定子绕组中电流的通断循环顺序，从而使步进电动机实现正转和反转，相应的工作台进给方向就被改变。

三、步进电动机

1.分类

按力矩产生的原理分：

反应式、励磁式。

2.结构

步进电机由转子和定子两部分组成。

3.三相反应式步进电机的工作原理

单三拍、双三拍、三相六拍。

4.步进电机的使用特性

（1）步距角（计算举例）

（2）步距误差

（3）静态转矩

（4）起动频率

（5）连续运行频率

（6）矩频特性

（7）加减速特性

四、步进电动机的驱动电源

1．脉冲分配控制：

硬件、软件环形分配器

2.驱动放大电路：

大功率晶体管、功率场效应管、可关断可控硅等

五、步进电机的选用

1.首先要确定步进电动机的类型。

2.根据机床的加工精度要求，选择进给轴的脉冲当量δ。

3.根据所选步进电动机的步距角、丝杠的螺距以及所要求的脉冲当量，计算减速齿轮的降速比。

4.电动机在最快移动速度时，由矩频特性决定的电动机输出转矩要大于负载转矩，并留有余量。

5.步进电动机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系。

2013年3月21日周四

单元二交流伺服驱动系统

1.使学生熟悉交流伺服系统的组成。

2.使学生理解闭环位置控制的实现过程。

3.使学生理解伺服电动机工作原理。

4.使学生熟悉伺服电机的选用方法。

5．使学生熟悉机床常用位置检测元件的应用。

1.交流伺服系统的组成。

*2.闭环位置控制的实现。

3.机床常用位置检测元件的应用。

4.伺服电动机的选用。

1.通过讲授进给伺服系统的分类引入到交流伺服驱动系统，并介绍交流伺服系统的组成与闭环位置控制的实现过程。

2.通过讲授交流伺服系统的组成，介绍交流伺服电机的结构原理、速度控制方法以及选用原则。

3.介绍旋转编码器、光栅尺等常见检测装置的结构与原理，并联系到检测元件在数控机床中的典型应用。

1．交流伺服系统的组成与闭环位置控制的实现约30分钟；

2．伺服电机的结构原理、速度控制方法以及选用原则约15分钟；

3.机床常用检测装置的结构与原理30分钟；

4．编码器在数控机床中的应用约15分钟。

作业三:

简述闭环位置控制原理与实现方法。

一、交流伺服驱动系统的组成

一般闭环伺服系统的结构是一个三环结构系统，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。

二、闭环位置控制的实现

插补程序输出ΔX，新的指令位置X+ΔX与计数器中的实际位置XF进行比较，其

差值经增益放大，并由D/A转换为模拟电压，使工作台向误差减小的方向移动。

三、交流伺服电动机（1～4内容的回顾，注意与《数控机床伺服控制》课程的衔接）

1.分类

2.结构（永磁同步电机）

3.工作原理（永磁同步电机）

4.同步交流伺服电机的速度控制

5.伺服电机的选择

四、位置检测元件（1～2内容的回顾，注意与《数控机床伺服控制》课程的衔接）

1.光电编码器

通常由光电码盘、光源、透镜、光栅板、光敏元件等元件组成。

2.光栅尺

通常由标尺光栅、指示光栅、光源、光电二极管等元件组成。

3.编码器在数控机床中的应用

2013年3月23日周六

单元三闭环伺服系统的连接

1.使学生了解模拟伺服系与数字伺服的区别。

2.使学生了解数控系统参数设置的重要性。

3．使学生熟悉数控系统功能模块的组成。

4．使学生熟悉数控装置、伺服驱动装置上的接口名称与功能。

5．使学生熟悉数控系统功能部件间的连接。

1.模拟伺服与数字伺服的组成与连接。

2.进给运动参数的设置。

*3.数控装置、伺服驱动装置上的接口名称与功能（FANUC0i系统为例）。

4.数控系统不同功能部件间的连接（FANUC0i系统为例）。

1．讲授进给伺服系统的组成与连接，并介绍进给运动参数的设置，举例说明。

2．以FANUC0i数控系统为例、进行案例式教学。

讲解数控装置、伺服驱动装置上的接口名称与功能，以及闭环伺服系统部件间的连接。

3．借助于多媒体课件，数控系统综合实验台、录像，提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。

1．介绍模拟伺服与数字伺服的组成与连接，并介绍进给运动参数的设置约25分钟；

2．示范并讲解数控装置、伺服驱动装置上的接口名称与功能，以及闭环伺服系统不同部件间的连接约40分钟；

3．学生分组完成模块与接口的识别，功能模块连接测绘约25分钟。

一、基本原理

伺服系统分为全数字式和模拟式。

二、进给伺服系统的连接

1.模拟式伺服系统连接

SINUMERIK810数控系统、SIMODRIVE611A进给驱动模块、1FT5伺服电机之间的连接。

2.数字式伺服系统连接

CNC系统与伺服驱动之间传